強激光場中原子多光子電離的量子軌迹蒙特卡羅理論

原子分子的多光子電離和隧道電離一直是強場光物理的研究前沿，在原子分子結構成像、量子調控等方面具有重要應用。人們對多光子電離的認識一般是通過量子理論，但量子理論是基于波函數和薛定谔方程,所得到模拟結果是物理上“不透明的”(not physically transparent)，人們很難直接實現電子的動力學分析。 “飛秒光物理和介觀光學”創新研究群體劉運全研究員、彭良友副教授和龔旗煌教授等發展了一套量子軌迹蒙特卡羅(Quantum-Trajectory Monte Carlo-QTMC)理論。他們通過蒙特卡羅模拟，把隧道電離理論和費曼路徑積分相結合（如圖1a），獲得了原子多光子電離全微分光電子角分布的幹涉物理起源（如圖1c,d）。在實驗上，他們通過新建成的冷靶電子離子動量譜儀，測量了高分辨氙原子多光子電離的光電子角分布（圖1b）。通過QTMC理論的計算結果與實驗結果非常符合。為了進一步證實理論結果，他們還通過精确求解含時薛定谔方程(Time-Dependent Schrödinger Equation-TDSE)對該理論計算給予驗證。

通過該理論可以直接采用量子軌迹的方法，研究電子在激光場和原子庫侖場作用下的幹涉動力學，可以建立多光子電離的經典－量子對應關系(如圖2)，從而對強激光場中原子分子電離過程的電子全息、分子結構成像及超快光場量子調控等方面具有重要應用。被審稿人評價為“這是這幾年見過強場物理中最漂亮的理論，将對強場物理的發展具有重要意義。” 該研究結果發表在2014年3月17日出版的《物理評論快報》【“Classical-Quantum Correspondence for Above-Threshold Ionization” [M. Li et al.,Phys. Rev. Lett 112, 113002 (2014)].】.

論文第一作者是4年級博士生黎敏同學，他在原子強激光場隧道電離研究中，發表Phys. Rev. Lett 3篇, 其中第一作者2篇，Phys. Rev. 4篇。該研究工作得到國家自然科學基金委的“創新研究群體”、“傑出青年基金”和 國家重大基礎研究計劃（973）項目的資助。